陳偉峰，林 磊，盧德祥，吳姝婷，陳麗仙

（國網(wǎng)龍巖供電公司，福建 龍巖364000）

電流互感器（TA）作為建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的重要組成部分，其在電力系統(tǒng)計量、繼電保護(hù)、系統(tǒng)診斷與電流信息監(jiān)測等領(lǐng)域都發(fā)揮著不可忽視的作用，其測量精度、運行可靠性關(guān)乎電網(wǎng)的安全運行。因而，研制一種在保證準(zhǔn)確度、安全性等前提下，實現(xiàn)低功耗的電流互感器具有一定現(xiàn)實意義。

1 電流傳感原理的研究分析

在電力系統(tǒng)中，各類電氣、電子應(yīng)用中電流信息無處不在，其在電氣隔離，精確度等級，帶寬測等方面都有不同的性能要求，不同的電流測量方法應(yīng)需而生[1]。常見的電流互感器有電阻分流器、Rogowski線圈型電流互感器以及電磁式電流互感器。

1.1 電阻分流器

電阻分流器的原理相對簡單，其一階等效圖如圖1，包括寄生電感Ls和集膚效應(yīng)引起的電阻Rs，常被用于簡單的電流檢測。但電流流經(jīng)電阻分流器會產(chǎn)生大量的功率損耗，這種功率損耗會限制在高電流應(yīng)用中使用電阻分流器[2]。此外，當(dāng)流經(jīng)電流達(dá)到100 kA及以上時，集膚效應(yīng)明顯，其測量帶寬將會被嚴(yán)重影響，如圖2所示。實驗結(jié)果表明，當(dāng)電阻分流器被用于測量大電流時，將會導(dǎo)致低帶寬和低輸出電壓。

圖1 電阻分流器的一階等效電路

圖2 典型的貼片電阻分流器阻抗測量圖

1.2 Rogowski線圈型電流互感器

圖3 呈現(xiàn)了基于法拉第磁感應(yīng)定律的典型Rogowski線圈。

圖3 典型Rogowski線圈示例圖

根據(jù)Ampere定理可得公式（1）：

當(dāng)電流ic流過導(dǎo)線所包裹的區(qū)域時，假定電流ic在線圈內(nèi)居中，則磁通密度B可以簡化為公式（2）：

根據(jù)Faraday定律來確定可得，在Rogowski線圈中，電流ic的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓ν可以被描述為：

其中，A是繞組的橫截面積，N是匝數(shù)。感應(yīng)電壓ν與待測電流ic的導(dǎo)數(shù)成正比。利用具有積分常數(shù)k和高輸入阻抗的積分器可以產(chǎn)生精確的結(jié)果：

Rogowski線圈的傳感原理是通過對磁通量變化檢測來實現(xiàn)的，感應(yīng)電壓與電流變化成比例。在t=0處的電流是vout(0)無法獲取直流值。因此，一般的Rogowski線圈不適合用于測量低頻電流。

1.3 電磁式電流互感器

電流互感器利用法拉第感應(yīng)定律來實現(xiàn)電流測量。該結(jié)構(gòu)的線圈通常有一個主匝和多個二次匝數(shù)，并采用了相對磁導(dǎo)率較高的磁芯[3]。其等效原理如圖4。

圖4 電磁式電流互感器的等效電路圖

電磁式電流互感器具有與初級電流成正比的輸出電壓的優(yōu)點，且其無須采用積分器，具有極高的幾何選擇性，同時N，Rs內(nèi)的損耗也可保持在較低水平。但遺憾的是，直流或磁芯飽和來會降低測量精度的問題，這對電能計量測試、保護(hù)精度的判斷會帶來較大的影響。

基于上述3種類型的電流互感的描述，其輸出帶寬、大電流輸入以及功耗方面都在不同程度的影響，在如今對電能質(zhì)量、用電安全不斷提高，損耗更低、性能更優(yōu)的電流互感器設(shè)計需求亟待解決。

2 基于新型納米晶材料的兩級低功耗電流互感器設(shè)計

考慮到極端大電流和磁飽和的影響，本文以電磁式電流互感器的設(shè)計為基礎(chǔ)，選擇具有高磁導(dǎo)率的新型材料納米晶為磁芯，其特有的高飽和度，線性B-H曲線，低剩磁，中頻低磁芯損耗，熱穩(wěn)定性強等優(yōu)點，極大地滿足了設(shè)計的需求。此外，本設(shè)計還采用高、低磁導(dǎo)率兩級磁芯，可電流互感器的線性，重復(fù)性，精度等性能。

設(shè)計的額定電流為1 kA，其頻率帶寬為10 Hz～1 MHz，原理如圖5所示。

圖5 兩級電流互感器配置框圖

該系統(tǒng)由兩個磁芯組成，第一個磁芯（TC1）的次級線圈套入第二個磁芯（TC2）并進(jìn)行短路連接。由于輸出負(fù)載接近零，TC1的截止頻率f1較低。TC1選擇具有低磁導(dǎo)率的材料，可以避免存在測量電流中含有直流分量導(dǎo)致磁芯飽和的問題。TC2的次級線圈與檢測電阻R2相連，該磁芯具有高磁導(dǎo)率值以及低截止頻率。基于兩級電流互感器的電氣低頻模型被建立起來，在模型中漏磁和寄生電容被忽略，如圖6所示。電流的表達(dá)式如下：

圖6 兩級電流互感器的電氣低頻模型

對于TC1變壓器，使用了具有低磁導(dǎo)率的FeSiBCuNb納米晶制成的磁芯。主要優(yōu)點是高飽和度（1.2 T），無氣隙情況下具有低磁導(dǎo)率，極佳的磁導(dǎo)率穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。由于TC2變壓器應(yīng)具有高磁導(dǎo)率以獲得提高的磁化電感，因此我們使用退火納米晶作為磁芯。具體的磁芯參數(shù)如表1所示。

表1 納米晶磁芯參數(shù)表

在圖7和圖8中，實驗結(jié)果顯示實際的頻率行為與仿真模型相比顯示出良好的一致性。低截止頻率實際上約為10 Hz，高截止頻率為1 MHz。

圖7 兩級電流互感器的設(shè)計結(jié)果（幅度）

圖8 兩級電流互感器的設(shè)計結(jié)果（相位）

觀察實驗結(jié)果，該種基于新型納米晶材料的兩級低功耗電流互感器設(shè)計能夠滿足較寬的帶寬輸出，而且保留了電磁式電流互感器低損耗的優(yōu)點。此外其還具有電磁式電流互感器缺乏的磁導(dǎo)率穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，這將極大程度提高電流互感器在不同工況下的運行穩(wěn)定程度。

3 結(jié)束語

本文分析了當(dāng)前幾類電流互感器的傳感機理，并針對不同類型TA的相關(guān)優(yōu)缺陷進(jìn)行闡釋。從極端大電流和磁飽和以及截止頻率等幾個關(guān)鍵性能進(jìn)行考量，綜合分析后給出了基于新型納米晶材料的兩級低功耗電流互感器設(shè)計。從理論分析和實驗結(jié)果來看，該種設(shè)計能夠較大程度提升現(xiàn)有互感器的相關(guān)性能，設(shè)計成效超出預(yù)期。